5.2. THIẾT KẾ VÀ TỔ HỢP ROBOT 1. Các nguyên tắc chung
5.3.2. Robot cố định trên nền, dùng hệ toạ độ cầu
Hình 5.13: Sơ đồ kết cấu của robot Unimate Mark //
Trên Hình 5. 13 là sơ đồ kết cấu của robot Unimate Mark II. Nó có 5
bậc tự do. Cánh tay được gắn trên trụ 31, quay quanh trục thẳng đứng nhờ xilanh thuỷ lực 18. Xilanh thuỷ lực 17 tạo nên chuyển động lắc (quay) của cánh tay quanh khóp vai. Xilanh 30 tạo chuyển động ra vào (hướng kính) của cẳng tay. Xilanh 13 thông qua bộ truyền xích 14 tạo chuyển động quay của cổ tay quanh trục. Chuyển động quay cổ tay trong mặt phẳng thẳng đứng do xilanh và bộ truyền xích đặt trong ống cẳng tay thực hiện.
Hình 5.14: Sơ đồ kết cấu của robot Coat-A-Maíỉc
Một phương ặn kết cấu khác của robot dùng hệ toạ độ cầu là cánh tay
nhiều khâu, ư u điểm của kết cấu này là gọn, có vùng làm việc lớn.
Chúng thường sử dụng trực tiếp cơ cấu chuyển động quay, nhưng một số vẫn dùng các động cơ chuyển động thẳng kèm theo cơ cấu biến đổi chuyển động như xích, Ihanh răng, đòn,... để tạo chuyển động quay của khâu bị dẫn. Nhờ vậy, bộ phận công tác vẫn giữ được chuyển động thẳng trong khi các khâu dẫn chuyển động quay. Cơ cấu như vậy được ứng dụng trên robot phun sơn COAT-A-MATIC của hãng Retab (Thuỵ Điển).
Sơ đồ kết cấu của nó cho trên hình 5.14. Robot có 6 bậc tự do. Mâm 16 quay quanh trục thẳng đứng nhờ xilanh thuỷ ỉực 18. Cánh tay liên kết với mâm qua khớp quay. Xilanh tlìuỷ lực 21 có một đầu gắn với mâm quay qua tấm nối 20, đầu kia gắn với khâu 8 thông qua chạc 24, tạo chuyển động lắc lư cho khâu 8. Chuyển động quay của khâu 28 do xilanh thuỷ lực 9 thực hiện. Chuvển động ỉắc của cổ tay quanh 2 trục vuông góc được thực hiện nhờ 2 động cơ thuỷ lực quay 1 và 3. Động cơ thuỷ lực 6 quay
giá kẹp súng phun sơn quanh trục còn lại. Trạng thái của hệ thống được giám sát nhờ các sensor kiểu chiết áp 2, 4, 5, 7, 15. Trên robot dùng bộ điều khiển contour. Việc lập trình được thực hiện bằng phương pháp dạy, nghĩa là người vận hành dịch chuyển đầu phun theo quỹ đạo cần thiết, bộ điều khiển nhớ lại quỹ đạo dưới dạng chương trình. Lò xo 11 giữ vai trò cân bằng, giúp cho việc dịch chuyển đầu phun bằng tay được dễ dàng.
5.3.3. Roboí trẹo
Cỏc robot Ị|ằ:dược lắp và chuyển động trờn cỏc đường ray trờn khụng, ư u điểm cơ l i n r à ã chúng là không chiếm diện tích sản xuất, ít cản trở hoạt động của các tì^ P b ị khác có \òing làm việc rộng. Các robot treo có thể vận chuyển nguyátĩ liệu, thiết bị trong tùng phân xưởng hoặc giữa các phân xưởng. Oiúng có thể phục vụ nhiều thiết bị khác nhau trdng dây chuyền sản xuất. Qiúng cũng có thể được dùng vào các công việc lắp ráp, rửa, phun sơn, hặn,... Theo số phương chuyển động của tay, có thể phân các robot treo thànÌP2 loại: robot chuyển động theo một phương (kiểu palăng) và robot chuyển
Robot c
lăng. Nó đượ trục chính nằ đồ động học
n pbưcoig (kiểu cầu trục).
M r[^2.80.1 (Liên xô) là đại diện điển hình của robot kiểu pa
để phục vụ cho 60 kiểu máy gia công kim loại có , bô' trí theo một hàng hoặc hai hàng song song. Sơ
CM4002.80.1 được cho trên Hình 5.15.
Hình 5.15: Sơ đồ động học của robot CM4O02.8O. I
Cánh tay của robot được gắn trên giá 1, có thể di chuyển trên ray trong khoảng 12 m nhờ động cơ bước thu ỷ lực M l, hộp giảm tốc 2 cấp và cơ cấu bánh răng - thanh răng. Thanh răng được gắn trên thanh ray 11. Khâu dẫn 3 và khâu bị dẫn 5 của cánh tay chuyển động nhờ các động cơ bước thuỷ lực có khuếch đại thuỷ lực M2 và M3, thông qua hộp giảm tốc một cấp và các cặp vít me - đai ốc bi 9-10 và 8-7. Đó là các chuyển động
quay, lắc lư qiianh các trục 2 và f>.T r o n g các hộp giảm tốc có các ly hợp
.s. T..1, . . ’ > J lện cung Cấp
điện - EM2 đế phaiịlỊ eac CỊ?
cho động cở.'Đâu lực 4 với xiỊạiỊh thụỷ lực M
của cổ t^y. ' ■
Robot € ^ ^ 0 2 .8 0 .1 được trang bị bộ điềiỊt^
lượng b (ÌÉ |^^ y :g. lập trình bằng phương
trục có tầm hoạt động, độ ỉ
■Juy nhiên, kết cấu cầu trục
một khả năng chuyi truyền động. Ngoài điềụ |ị
đổi so với robot kiểu pả íều khiển thích nghi
Robot ÌẾ ií^p ^ khiển thích nghi (gọriắt ;j robot có ig tự phản ứng một cách có 1(
lường trự ^ ỉiim c Ịmôi trường. Sự p^ản Ú3I đo đượcỉ^^^jjjÉẸt tỊối^g, ví dụ của vị trí, tính hoặc dự 4ii|^H jiỉg ,tỈỊ^.pủa các cơ cấu ưong rọi
động quay i31 với dung
Ịức nâng cao )hải gắn liền )t cầu trục, :ủa phần tay
Ighi) là loại động không :ác thông số Ịa đối tượng, Ig hợp này, chương hướngrịiệ bộ h ( ỉ |^ ^ ^ ^ H r o b o t . Chính
nó sẽ p t | | ^ H H Ị p | u ^ ^ p bổ động của
minh t r J | | | ^ H Ị | j | ^ ^ | ì ^ .teỊlìg t h ^ tế Nhò khả năng t h í H ^ ^ ^ H B ^ ^ Ệ i í ị n ồ ỉ trựỗng Inà c $ é M |[ jH H K h ^ ỉàm được
những ỉi^ông kiếm, nhận
biết đối đ ị^ jị|h o ặ ^ tiết,... Phần
lớn r o b ( 9 H Ì H M Ì i l H ^ ^ . t À ể . t i : ộ : i ^ Ì ^ ọ . ^ i f l M thêm hệ
lun uig MỢ, UỈCỈỈI ỈỈC
thống sensor đê thu nhận th õ i^tin vê moi trươhgTcMOTgtnnh phân tích thông tin thu được và ra quyết định theo chiến lược nhất định.
Hình 5.16 mô tả hoạt động của cơ cấu thích nghi trên robot kiểu HI-T- Hand Expert-2 của hãng Hitachi (Nhật). Nó được dùng để lồng 2 chi tiết tròn xoay với nhau. Hình 5. lóa là sơ đồ chung của toàn hệ thống thiết bị
lắp ráp, gồm robot chính 4 có 3 bậc tự do, dùng hệ toạ độ Đề các và một robot phụ 7 có một bậc tự do (quay quanh trục thẳng đứng). Hai máng 5 và 6 cung cấp hai chi tiết cần lắp. Cơ cấu thích nghi được lắp trên tay 3 của robot chính 4 qua lò xo phẳng, dạng chữ thập 2. Trên lò xo có dán hệ tenzomet để xác định 3 thành phần X, y, z của lực tiếp xúc giữa hai chi tiết. Tuỳ theo tỷ lệ giữa các thành phần lực mà chương trình điều khiển xác định phương di chuyển của tay, sao cho tâm trục trùng với tâm lỗ để có thể lồng chúng với nhau {Hình 5. Ỉ6b). Với cơ cấu này, robot có thể
lắp bộ đôi có khe hở khoảng 20 jjm.
(a)
Hình 5.16: Cơ cấu thích nghỉ của robot lắp râp Hỉ-T-Hand Expert-2
Hình 5. /7 là sơ đồ cơ cấu thích nghi, phối hợp giữa thiết bị quan sát
quang học và hệ thống xúc giác cơ điện, được lắp trên robot ETL của Nhật. Robot có 6 bậc tự do. Trên các ngón tay có gắn các sensor xúc giác, làm việc ở chế độ 1-0, để giúp robot tìm vị trí và hưởng của các vật trong vùng công tác.
Hình 5. 17: Cơ cấu thích nghi phối hợp trên robot E ĨL
Vị trí của các ngón tay khi tiếp xúc với vật được giám sát nhờ các sensor vỊ trí đặt trên bàn tay, từ đó xác định kích thước của vật và thay đổi lực kẹp của các ngón tay. Hệ thống quan sát, gồm các camera 1, 3 cùng kính lọc mầu 2 để nhận biết hình dạng, vị trí và mầu sắc của các vật trên mặt bàn; các khối phân tích: 5 - mầu sắc, 6 - hình dạng, 7 - vị trí. Khối 8 tạo chương trình điều khiển, khối 9 điều khiển chuyển động của robot, khối 10 điều khiển bàn tay theo tín hiệu xúc giác.
5.4. C ơ CẤU TAY KẸP 5.4.1. Khái niệm và phân loại tay kẹp
Phần công tác của robot rất đa dạng. Trên các robot chuyên đùng thì phần công tác cũng là thiết bị chuyên dùng. Ví dụ, phần công tác của robot phun scín là súng phun sơn, của robot hàn là kìm kẹp dây hàn,...
Trên một loạt các robot vạn năng, thường là robot vận chuyển, lắp ráp, xếp dỡ,... thì phần công tác có chức năng nấm, giữ và thực hiện các thao tác khác nhau với đối tượng (xoay, lựa, đặt,...)- Bỏ qua sự khác biệt về kết
cấu, cân cứ vào chức năng chính của cơ cấu chúng ta gọi nó là tay kẹp*.
Mục này sẽ không đề cập đến phần công tác chuyên dùng mà chỉ nói về cơ cấu tay kẹp.
Các đối tượng mà robot phải xử lý rất khác nhau về kích thước, hình dạng và tính chất vật lý, nên tay kẹp cũng hết sức đa dạng. Yêu cầu cơ bản đối với tay kẹp là làm việc tin cậy: bắt đún2 đối tượna, giữ chắc,...
nhưng không làm hõng^ối tưcmg. Ngoài fa7 nó Gẫn gọrppiẹ, tác động nhanh. vạn nãng và sự gọn nhẹ luôn luôn mâu tíiu
mặt người tá cố gắng mở rộng phạm vi hoạt động của t khác n g ^ ta tệo ra bộ các tay kẹp có tmh năng khác nh:
có thể c h ^ tay ỉ^p p h ù hợp nhất eho tÈttig việc cụ
Tay kẹp phẩn loại theo nhiều đặc trưng dụng, theo pKĩỉtílig pháp giữ vật, theo tính vạn náig đến cỏc đặc trưng liờn quan trực tiếp đấh kết cấuằ,như“s
- Theo nguyên l ý tílc động có tay kẹp cơ khí, ch tĩnh điệ
Ig điều khiển có tay kẹp không thích nghi.
Ig lượng có các loại tay v&ọ c^ăẫn
'ú nhau. Một ay kẹp. Mặt người dùng
iư theo công ta quan tâm
từ trường,
khiển, điều
g' và không có ầ
g thể mô tả một số loại
ỏ kẹp, móc,
íu,... để kẹp vật nhờ tác dụng của lò xo hoặc nhờ lực đàn hồi của chính các chi tiết
* Khi nhấn mạnh sự tương tự giữa tay máy và tay người, có thể gọi cơ cấu này là bàn tay (Hand). Nhưng nó thường được gọi là cơ cấu kẹp, tay kẹp :
"SaxBaTHoe yapoiícTBo" hoặc "Gripper".
trong hệ thống {Hình 5. 18). Kết cấu của các tay kẹp loại này rất đơn
giản. Chúng không có nguồn dẫn động riêng, không có cơ cấu hãm nên lực kẹp dao động theo kích thước của đối tượng. Vì vậy, chúng thuộc loại tay kẹp chuyên dùng, được thiết kế cho từng loại đối tượng cụ thể, với phạm vi thay đổi kích thước hẹp. Do các đặc điểm trên, chúng được dùng chủ yếu trong sản xuất hàng khối.
Hình 5. Ỉ8: Tay k ẹp kliông có điều khiển
Để sự làm việc tin cậy và ổn địiih ngay cả khi có biến động kích ứiước tượng, tay kẹp dược bổ sung cơ cấu hãm, ví dụ như cơ cấu trong 19. Nhờ cơ cấu hãm mà tay kẹp làm việc với hành trình kẹp,
nhả m ộLeệ^ rành mạch hcm mặc dù vẫn không có nguồn dẫn động riêng.
Tay được tạé nghiêngll
Hình 5. 1% dược dìm" vái chi tiết ưòn xọay. Lực kẹp M i dưới tác dụng của trọng lực, tấm nêm 4 tác dụng lên mặt w đuôi của các mỏ kẹp i. Khi đặt vật xuống, nêịn 4 tiến gần đến vậtiỀ ắr mỏ kẹp được giải phóng, nhả vật do lực kéo của lò xo 13.
Đáng c ^ i ý ở đây là cơ cấu hãm. Nó gơni ihân 7 gắn liền VÓỊÌ cần 5. Chốt hãm 10 gắn trên cần 12 nhưng có thể quay tự do trên đó. Trong lỗ của thân 7 có lồng (không quay được) 2 bạc 8 và 9. Bạc 8 có các vấu phía dưới, bạc 9 có vấu cả trên và dưới. Các vấu này, mỗi lần ăn khớp và trượt tương đối với các vấu trên chốt 10 sẽ làm quay chốt đó 45 độ. Trong hành trình nhả, thân 7 tiến gần đến đầu 3, chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, quay 45°,
khi đi xuống tiếp xúc với mặt trên của bạc 9 lại quay tiếp 45° và bị mắc trong lỗ. Hai mỏ kẹp bị giữ ở trạng thái nhả. Trong hành trình kẹp, sau
khi chốt 2 tiếp xúc với vật, đầu 3 và thân 7 tiến gần đến nhau. Chốt 10 tiếp xúc với bạc 8, bị quay 45°. Khi đi xuống, chốt 10 lại tiếp xúc với bạc 9, bị quay tiếp 45“ nữa. Kết quả là chốt lọt qua được rãnh và lọt ra khỏi lỗ.
Các mỏ 1 được khoá ở trạng thái kẹp.
(a)
Hình 5.19: Tay kẹp cơ khí
có cơ cấu hãm
>
^ i
(
i1
(c)
Tay kẹp trên Hình 5 . 19b làm việc theo nguyên lý tưcfng tự như mồ tả ở trên, nhưng dùng để kẹp các chi tiết dạng đĩa, bánh răng, bạc,., trong tư thế thẳng đứng. Hai loại tay kẹp trên được dùng trong sản xuất hàng khối, để nhấc các vật tròn xoay có khối lượng không quá 30 kg, kích thước
không được dao động quá 0,5 mm. Chúng được coi là tay kẹp C) phạm vi công tác cứng.
Với nguyên lý làm việc tương tự như hai loại trên, tay kẹp trong hình 5.19 (c) thuộc loại có phạm vi công tác hẹp, cho phép dao động kích
thước lớn hơn, từ Ị,5 đến 2 mm. Nó kẹp vào mặt trụ trong của vật nhờ
một dãy bi 2 xếp theo vòng tròn. Mặt côn 1, có góc côn nhỏ hơn góc ma sát giữa các viên bi và vật liệu chi tiết (thường 5 -í- 6 độ), tạo ra lực kẹp khi nhấc vật (chuyển động lên) và nhả vật (chuyển động xuống).
Để tăng độ tin cậy khi kẹp và nhả, có lực kẹp lớn, phạm vi công tác rộng, người ta dùng tay kẹp có dẫn động. Nguồn động lực thường là động cơ thuỷ lực hoặc khí nén.
Hình 5. 20: Tay kẹp có truyền động thuỷ lực
Trên Hình 5. 20 là sơ đồ kết cấu tay kẹp có truyền động thuỷ lực. Hình
5. 20a) là hai tay kẹp, dùng chung cụm cơ sỏ là xi lanh thuỷ lực và hai
càng dãn động. Mỏ kẹp có thể thay được, vì vậy có thể dùng để kẹp vào mặt trong hoặc mặt ngoài của chi tiết. Kết cấu tay kẹp trên Hình 5. 20b
cho phép điều chỉnh khoảng cách giữa 2 mỏ kẹp.
Trên Hình 5. 21 là sơ đồ kết cấu các tay kẹp với truyền động khí nén.
Các tay kẹp kiểu (a) và (b) có mỏ kẹp thay đổi được để dùng với các bề mặt khác nhau về hình dạng và kích thước. Tay kẹp kiểu (c) sử dụng cơ cấu bình hành, duy trì được độ song song giữa 2 mỏ kẹp cả khi độ mở thay đổi trong phạm vi rộng.
- m
Hình 5.21: Tay kẹp có truyền dộng khí nén
Thay cho cơ cấu truyền động bằng càng, tay đòn,... trên nhiều tay kẹp người ta dùng cơ cấu thanh rãng, trong đó đuôi các mỏ kẹp có dạng quạt răng {Hình 5. 22). ư u điểm chính cuả cơ cấu này là gọn,
làm việc tin cậy. Các sơ đồ trên hình vẽ cũng biểu diễn các dạng mỏ kẹp tự đinh tâm. Chúng có thể làm việc ở 2 vị trí, ví dụ vị ịrí kẹp phôi
và vị trí phép địr
đưa phôi vào mâm cập của máy tiện (b). Kết cấu (c) cho
h-vỊ chi thanh
răng với đòn cũng gặp trên nhiều kiểu-tay kẹp. Khi đã có nguồn dẫn động riêng, các tay kẹp có thể được điều khiển từ chương trình, bằng các lệnh nhả - kẹp đơn giản hoặc các chu trình điều khiển phức tạp hơn, như thay đổi khoảng công tác, làm việc nhiều vị trí,...
s.4.2.2.
Két cấu
HìnhS. 23.
Cic tay di chiyển đ hút thh điệ có thl dùng
iện trên
nhấc và g cả lực ơn giản, áp ứng.
w ^ • A. M. '
ví dụ chi tiết phẳng rộng nhưng mỏng như tấm tôn hoặc giấy mỏng, hình dạng chi tiết phức tạp, vị trí của chi tiết thay đổi ngẫu nhiên,... Tuy có nhiềi điểm giống nhau, cơ cấu kẹp điện từ và khí nén có những đặc điểm sử dụig khác nhau như kê trong bảng 5.1.
Bảng 5.1: So sánh các cơ cấu kẹp điện - từ và khí nén
Tính chất Kiểu điện - từ Kiểu khí nén
Vật liệu vật kẹp Hình dạng vật kẹp Trạng thái bề mặt Lực kẹp
Thời gian kẹp Kết cấu
11101 gian sử dụng Ảxứi hưởng đến vật kẹp
Phải có từ tính Bấtiky
Không cần nhẩn
Lớn, ít phụ thuộc diện tích tiếp xúc
Bất kỳ Mặt phẳng Phải nhẵn, sạch
Hạn chế, phụ thuộc diện tích tiếp xúc
Nhanh Đơn giản
Bền lâu Để lại từ dư, phải khử
Chậm, phải đủ đạt độ chân không
Phức tạp, cần đường ống, đầu nối, nguồn khí...
Han chế •
Không gây hại vật kẹp Gây tiếng ồn
Ảnh hưởng môi trường Không
ì J
4 s 7
(a)
Hình 5. 23: Sơ đồ tay kẹp khí nén (a) và điện - từ(b)
Buồng đàn hồi Ihường được làm bằng cao su, chất dẻo. Lực kẹp được sinh ra nhờ sự biến dạng của buồng đàn hồi dưới tác dụng của khí nén hoặc thuỷ lực. Trên Hình 5. 24 là sơ đồ các tay kẹp dùng buồng đàn hồi do hãng Simrit (Pháp) chế tạo. Chi tiết có thể được định vị và kẹp tại mặt trụ trong, mặt trụ ngoài nhờ buồng đàn hồi hình trụ (a) hoặc được định vị nhờ khối V và kẹp nhờ vòng ôm đàn hồi (b).
5.4.2.3. Tay kẹp dùng buồng đàn hồi
(a)
Hình 5. 24: Sơ đồ tay kẹp dùng buồng đàn hồi
5.4.2.4. Tay kẹp thích nghi
Trên các tay kẹp kiểu này, người ta đặt các sensor để thu nhận thông tin về sự tồn tại, vị trí, hình dạng, kích thưóc, khối lượng, trạng thái bề mặt, màu sắc,... của đối tượng để robot tự động tìm cách xử lý thích hợp, như nhận hay không nhận, thay đổi nơi chuyển đến, vị trí và lực kẹp,...
Trên Hình 5. 25a là sơ đồ tav kẹp kiểu Ạnthropomorphic (tay người). Tay kẹp có 3 ngón. Các đốt nối với nhau và nối với bàn tay bằng chốt và có thể chuyển quay tương đối với nhau ±45" nhờ các động cơ điện một chiều. Toàn bộ các ngón có 11 bậc tự do và có phạm vi hoạt động lớn hcín tay người cùng kích thước. Chuyển động quay quanh các khớp được giám sát nhờ các sensor vị trí. Lực kẹp được giám sát và điều chỉnh theo thông tin từ các sensor áp lực. Bàn tay có khối lượng là 240 g, sức nâng 0,5 kg.
Bàn tay trên Hình 5. 25b có 6 sensor xúc giác 3, kiểu microswitch để nhận biết đối tượng khi chạm vào nó. Phía trong, trên đầu các ngón và trên càng 1 giữa các ngón có 17 sensor áp lực 2, 4, 6 kiểu biến trở. Hai photodiođe 5 trên đầu các ngón tay dùng để định vị đối tượng và "dẫn